Einführung
Falls Sie sich mit der Forschung zu Kryptowährungen oder Blockchain beschäftigt haben, sind Ihnen sicherlich Begriffe wie Layer-One- und Layer-Two-Protokolle begegnet. Es ist jedoch möglich, dass Sie nicht wissen, was diese Ebenen sind und warum sie existieren. In diesem Artikel befassen wir uns mit der Blockchain-Layer-Architektur und wie sie Vertrauen und Konsens in der Kette ermöglicht. Wir werden auch untersuchen, wie es sich in Zukunft entwickeln könnte.
Blockchain ist eine einzigartige Kombination verschiedener bestehender Technologien – Distributed-Ledger-Technologie, Kryptografie, Spieltheorie, Netzwerke usw. – mit mehreren potenziellen Anwendungen, einschließlich Kryptowährung. Kryptographie bezieht sich auf die mathematische und Computerdisziplin, die Daten kodiert und dekodiert.
Darüber hinaus stellt die Distributed-Ledger-Technologie (DLT) ohne die Kontrolle einer zentralen Behörde sicher, dass Informationen durch Kryptografie unter einem Cluster von Benutzern über ein bestimmtes Netzwerkprotokoll angemessen verifiziert werden. Die Kombination dieser Technologien schafft Vertrauen bei Einzelpersonen oder Parteien, die sonst keinen Grund dazu hätten. Sie ermöglichen Benutzern den sicheren Handel mit Bargeld und Daten über Blockchain-Netzwerke.
Die verschiedenen Schichten der Blockchain sind geclustert, um Sicherheit und Skalierbarkeit zu gewährleisten. Tatsächlich müssen Blockchains sehr sicher sein, da es keine zentrale Behörde gibt. Außerdem müssen sie skalierbar sein, um sicherzustellen, dass sie die wachsende Anzahl von Benutzern im gesamten globalen System aufnehmen können. Schichten entstanden aus der Notwendigkeit der Skalierbarkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung erstklassiger Sicherheit.
Die Schichtstruktur der Blockchain-Architektur
Im verteilten Netzwerk der Blockchain-Architektur beobachtet, genehmigt und aktualisiert jeder Teilnehmer neue Einträge. Die Blockchain-Technologie besteht aus einer Reihe von Blöcken, die Transaktionen in einer vorgegebenen Reihenfolge enthalten. Diese Listen können in einer Datenbank oder als flache Datei (im Textformat) gespeichert werden. Die Architektur einer Blockchain kann öffentlich, privat oder konsortialbasiert sein.
Das Design von Blockchain ist in fünf Schichten unterteilt.
Hardware-Infrastrukturschicht
Diese Hardwareschicht speichert Blockchain-Daten sicher auf einem Server. Auf diese Daten greifen wir über die Client-Server-Architektur zu. Wenn wir Blockchain-Apps verwenden, sendet der Client-Computer eine Zugriffsanfrage an den Datenserver. Da Blockchains Peer-to-Peer (P2P)-Netzwerke sind, verbinden sie Clients mit „Peer-Clients“ für den Datenaustausch. Diese Schicht ist also nichts anderes als ein riesiges Netzwerk von Geräten, die miteinander kommunizieren und Daten austauschen. Tatsächlich entsteht so ein Distributed Ledger.
Datenschicht
Die Datenstruktur von Blockchain besteht aus einer verknüpften Liste von Blöcken, in denen Transaktionen angeordnet sind. Wenn eine bestimmte Anzahl von Transaktionen von Knoten authentifiziert wird, werden die Daten zu einem „Block“ gebündelt, in die Blockchain hochgeladen und mit dem vorherigen Datenblock verknüpft. So entsteht eine Kette von Blöcken, die sich schließlich ausdehnt. Der Root-Hash des Merkle-Baums ist in jedem Block enthalten, zusammen mit dem Hash, dem Datum usw. des vorangehenden Blocks. Dies gewährleistet die Sicherheit, Integrität und Unwiderlegbarkeit von Blockchain-Systemen.
Jede Transaktion auf dem Block wird digital mit dem privaten Schlüssel aus der Brieftasche des Absenders signiert. Da dieser Schlüssel nur dem Absender zur Verfügung steht, können die Daten von niemandem manipuliert werden. Dieser Schritt wird als „Finalität“ bezeichnet. Die digitale Signatur schützt auch die Identität des Besitzers, die aus Sicherheitsgründen verschlüsselt wird.
Netzwerkschicht
Die Netzwerkschicht, auch bekannt als Propagation Layer oder P2P-Schicht, steuert die Kommunikation zwischen Knoten. Die Netzwerkschicht steuert auch die Knotenerkennung, Knotenidentifikation, Transaktionen, Blockproduktion und Blockausbreitung. Die Peer-to-Peer-Architektur der Blockchain ermöglicht es Knoten, eine Einigung über die Legalität einer Transaktion zu erzielen. Die Transaktion selbst auf der Blockchain wird von Nodes durchgeführt.
Diese Schicht stellt sicher, dass Knoten sich gegenseitig entdecken, Informationen verbreiten und sich miteinander synchronisieren können, um der Blockchain Authentizität zu verleihen.
Konsensschicht
Das Herzstück aller Schichten ist die Konsensschicht. Dies ist die Schicht, die die Schlüsselfunktionalität von Blockchain ermöglicht: Konsensmechanismus zwischen Knoten. Darüber hinaus sorgt es auf dezentrale Weise für Konsens und eliminiert somit die Notwendigkeit einer zentralen Autorität. Dies ist der Ansatz, der den Kern der Dezentralisierung darstellt, die von der Blockchain bereitgestellt wird. Aus diesem Grund wird jede Transaktion von einer großen Anzahl von Knoten verarbeitet, die alle miteinander übereinstimmen und die Authentizität der Transaktion validieren müssen. Kein einzelner Knoten hat die Kontrolle über Transaktionsdaten. Fällt diese Schicht aus, fällt das gesamte Blockchain-System aus.
Diese Schicht verwaltet das Protokoll, das eine Mindestanzahl von Knoten erfordert, um jede Transaktion zu validieren oder wie viel Kryptowährung ein Teilnehmer im Netzwerk hat.
Die wichtigsten Herausforderungen in der Konsensebene haben damit zu tun, sicherzustellen, dass es zu jedem Zeitpunkt wirklich eine wahre Version des Zustands des Computers gibt und dass niemand die Wahrheit untergräbt.
Anwendungsschicht
Die bisher skizzierten Schichten ergeben einen kompletten Blockchain-Computer. Auf diesem Stack können die Entwickler Programme bereitstellen und den Computer diese Programme ausführen lassen.
Die Anwendungsschicht stellt die deterministische Natur der Blockchain sicher. Die Anwendungsschicht enthält die Programme, die Benutzer verwenden, um mit dem Blockchain-Netzwerk zu kommunizieren. Dies erleichtert die Kommunikation von Verbrauchergeräten mit der Blockchain. Die Anwendung fungiert als benutzerorientiertes Frontend, während der Blockchain-Stack als Backend fungiert. Die wichtigsten Bestandteile der Anwendungsschicht sind insbesondere Skripte, Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs), Benutzeroberflächen, Frameworks, Smart Contracts und dezentrale Apps (dApps).
Die Protokolle der Anwendungsschicht sind in die Anwendungs- und die Ausführungsschicht unterteilt. Smart Contracts, zugrunde liegende Regeln und Chaincode sind Teil der Ausführungsschicht. Jede Schicht spielt ihre eigene Rolle in der Reise der Transaktion. Eine Transaktion beginnt in der Anwendungsschicht und bewegt sich dann zur Ausführungsschicht, wo ihre Validierung stattfindet. Danach wird es auf der semantischen Ebene ausgeführt.
Als Nächstes ordnen wir die obigen Schichten der in der Blockchain-Welt gebräuchlichen Terminologie zu: Schichten 0, 1, 2 und 3.
Schicht Null
Schicht Null der Blockchain besteht aus dem Internet, Hardware und Verbindungen, die das Funktionieren der nächsten Schicht ermöglichen. Diese Komponenten bilden die Technologie, die das Funktionieren jeder Blockchain ermöglicht. In der oben skizzierten Terminologie besteht die Schicht Null aus der Hardware-Infrastrukturschicht und der Datenschicht.
Layer Zero umfasst den Hardware-Layer, aber auch Miner und Validatoren. Es enthält auch Peer-to-Peer-Netzwerkprotokolle, die es der Kommunikation untereinander ermöglichen, schließlich zu einem vereinbarten Zustand des Netzwerks zu gelangen.
Schicht eins
Wenn sich alle Beteiligten über den aktuellen Stand des Blockchain-Rechners verständigen können, müssen sie nachvollziehbar und garantiert spieltheoretisch rechnen können. Hier kommt der Compute-Layer ins Spiel. Sowohl der Compute-Layer als auch der Consensus-Layer sind typischerweise in fast jedem Blockchain-System gebündelt. Diese beiden Schichten zusammen werden als Schicht eins bezeichnet.
Wenn wir von Polygon oder Ethereum sprechen, beziehen wir uns auf die Netzwerkschicht von Polygon oder Ethereum. Wie oben erläutert, verwaltet diese Netzwerkschicht Konsensmechanismen, Programmiersprachen, Blockzeiten, Streitbeilegung und die Regeln und Parameter, die ein Blockchain-Netzwerk betriebsbereit halten. Bitcoin ist ein Beispiel für eine Layer-One-Blockchain. Diese Schicht bietet der gesamten Blockchain durch ihre schiere Unveränderlichkeit Sicherheit.
Schicht eins hat Skalierbarkeitsherausforderungen durchlaufen und sich daher weiterentwickelt. Wenn die Zahl der Blockchain-Benutzer wächst, wird Schicht eins belastet. In diesem Fall kann der Konsensprozess die gesamte Blockchain verlangsamen. Während die Blockchain sicher ist, kann Geschwindigkeit zu einem hemmenden Faktor werden. Miner müssen kryptografische Algorithmen mit Rechenleistung lösen. Infolgedessen wächst der Bedarf an erhöhter Rechenleistung und Zeit. Proof-of-Stake und Sharding sind zwei neue Mechanismen, die diese Geschwindigkeitsherausforderungen für Ebene eins angehen.
Schicht zwei
Schicht zwei ist eine Integration eines Drittanbieters, die zusammen mit Schicht eins verwendet wird, um die Skalierbarkeitsprobleme der zugrunde liegenden Schichten zu lösen, indem die Anzahl der Knoten erhöht wird. Schicht zwei besteht aus überlappenden Netzwerken, die auf den Basisschichten sitzen. Protokolle verwenden üblicherweise Schicht zwei, um die Skalierbarkeitsherausforderungen der Blockchain zu lösen, indem sie einige Interaktionen von den Basisschichten entfernen und dadurch den Systemdurchsatz erhöhen. Infolgedessen stellen Smart Contracts sicher, dass Off-Chain-Transaktionen den Vorschriften entsprechen.
Layer-Two-Ansätze sind bei weitem die beliebtesten Ansätze zur Lösung von Skalierungsproblemen. Verschachtelte Schichten, Rollups und Sidechains sind Beispiele für Schicht-2-Architekturen, die die Herausforderungen der Blockchain angegangen sind. Das Lightning Network von Bitcoin ist ein Beispiel für eine Layer-2-Blockchain.
Schicht drei
Die Anwendungsschicht bildet Schicht drei. Diese Schicht beherbergt die Anwendungen und die Aktivierungsprotokolle. Schicht drei fungiert als Benutzerschnittstelle und maskiert gleichzeitig die technischen Aspekte des Kommunikationskanals. Diese Ebene bringt den Entwicklern Blockchain-Utility und echte Interoperabilität.
Zusammenfassung
Zusammenfassend ermöglicht Blockchain die nachhaltige Erfassung des Geschäftswerts im Gleichgewicht. Die Skalierbarkeit ist jedoch ein Hemmfaktor bei der weit verbreiteten Einführung von Blockchain. Da die Dezentralisierung als Konzept branchenübergreifend an Fahrt gewinnt, wird die Nachfrage nach Blockchain wachsen. Daher ist es entscheidend, die Skalierbarkeits- und Durchsatzbeschränkungen der Blockchain zu lösen.